ترموکوپل 

ترموکوپل (Thermocouple) چیست؟

ترموکوپل به بیان ساده یک سنسور اندازه گیری دما است که از دو نوع فلز مختلف در ساخت آن استفاده میشود. و این دو فلز در انتها به هم متصل اند. زمانی که نقطه اتصال این دو سیم گرم و یا سرد می شود، یک ولتاژ کوچک متناسب با دما در آن ایجاد می شود.می توان گفت که ترموکوپل یک سنسور بسیار ساده، مقاوم و مقرون به صرفه است که در دامنه گسترده ای از کاربردهای اندازه گیری دما استفاده می شود.

ساخت و تولید ترموکوپل ها در انواع مختلفی مانند پراب های ترموکوپل، پراب های ترموکوپل به همراه کانکتور ترموکوپل های مادون قرمز (Infrared thermocouple)، ترموکوپل با سیم برهنه و یا حتی تنها سیم ترموکوپل تولید می شوند.

 

thermocouple ها با توجه به ویژگی های مختلف تکنیکی و انواع مدل های آن در کاربردهای مختلفی استفاده می شوند. اما دانستن نحوه عملکرد، ساختار و بازه های آن، امر بسیار مهمی در تشخیص نوع و متربال مناسب برای یک کاربرد خاص هستند.

اصول عملکرد thermocouple

زمانی که دو سیم غیریکسان در هردو انتها به یکدیگر متصل می شوند، در اثر گرمادهی به دو انتهای آن، در این مدار ترموالکتریک یک جریان پیوسته ایجاد می شود. اگر این مدار از وسط شکسته و باز شود، ولتاژ مدار باز بوجود آمده (ولتاژسیبک یا Seebeck Voltage) تابعی از دما و ترکیب دو فلز است. که این به این معنی است که ایجاد گرما و یا سرما در نقطه اتصال دو سیم، سبب ایجاد ولتاژ متناسب با دما در دو سر دیگر سیم ها می شود.

انواع ترموکوپل (Thermocouple types)

thermocouple ها در انواع مختلفی از نظر ترکیب فلزات و یا کالیبراسیون در دسترس هستند. رایجترین انواع آن ها J، K، T، E و N هستند که با عنوان فلز پایه (Base Metal) شناخته می شوند. انواع دیگری هم وجود دارند که با فلزات خاص (Noble Metal) تولید و دارای کالیبراسیون دما بالا هستند. این انواع دارای تقسیم بندی نوع R، نوع S، نوع C و نوع B هستند.

اگرچه بازه اندازه گیری ترموکوپل با کالیبراسیون مشخص می شود، اما اندازه قطر سیم ترموکوپل بازه اندازه گیری را محدود می کند.

تفاوت ها در انواع مختلف thermocouple

در انواع رایج کالیبراسیون ترموکوپل ها که شامل J، K، E و T هستند، به ترتیب بازه اندازه گیری برابر 0~750ºC، -200~1250ºC، -200~900ºC و -250~350ºC است. همچنین حدود استاندارد خطا در آن ها به ترتیب بزرگتر از 2.2ºC یا 0.75%، مجددا بزرگتر از 2.2ºC یا 0.75%، بزرگتر از 1.7ºC یا 0.5% و بزرگتر از 1ºC و یا 0.75% می باشد.

در انواع غیر رایج thermocouple ها بازه اندازه گیری دما برای نوع S، 0~1450ºC، برای نوع R 0~1450ºC، برای نوع N -270~1300ºC، برای نوع C 0~2320ºC و برای نوع B 0~1700ºC است.

کد رنگ بندی در استانداردهای ANSI/ASTM E230 و IEC 60584 

زمان پاسخ (Response Time)

تعریف ثابت زمانی عبارت است از زمانی که که مورد نیاز است برای یک سنسور تا به 63% از تغییر پله ای خود متناسب با دما در شرایط مشخصی برسد. همچنین 5 برابر ثابت زمانی نیاز است تا سنسور به 100% تغییر پله ای خود برسد. دو عامل دیگری که در سرعت پاسخ ترموکوپل تاثیر دارند، یکی بیرون از غلاف بودن نوع آن است که زمان پاسخ را کاهش می دهد و دیگری قطر کمتر غلاف است که به بالا رفتن سرعت پاسخ در ترموکوپل می انجامد.

انتخاب نوع ترموکوپل

انتخاب ترموکوپل باید بر اساس معیارهای زیر انجام پذیرد:

• بازه اندازه گیری: بازه تغییرات دمای فرایند را باید در انتخاب ترموکوپل در نظر گرفت.
• سایز کنداکتور: قطر سیم های ترموکوپل را باید برای اندازه گیری دما در فواصل طولانی در نظر گرفت.
• دقت اندازه گیری نیز از مواردی است که باید در انتخاب ترموکوپل در نظر گرفت.
• زمان پاسخ مورد نظر
• مقاومت شیمیایی، مقومت در برابر سایش و ارتعاش
• شرایط نصب

انواع نقطه اتصال در دو سیم ترموکوپل (Junction types)

پراب های غلاف دار thermocouple در یکی از انواع بیرون از غلاف (Exposed)، زمین شده (Grounded) و زمین نشده (Ungrounded) موجود هستند. سیم های thermocouple در نوک پراب های نوع زمین شده به صورت فیزیکی به دیواره داخلی پراب اتصال دارند. این امر به انتقال خوب دما از طریق دیواره پراب به ترموکوپل می انجامد. در نوع زمین نشده، این نقطه اتصال به دیواره پراب متصل نیست و زمان پاسخ در این نوع آهسته تر است، اما از نظر الکتریکی عایق شده است. در نوع بیرون از غلاف محل اتصال دوسیم در خارج از پراب است و مستقیما با ماده در تماس است. همانطور که در قسمت های قبلی گفتیم، زمان پاسخ در این ترموکوپل ها از همه انواع کمتر است اما در معرض آسیب توسط محیط هستند.

تفاوت بین ترموکوپل، RTD، ترمیستورها و دستگاه های مادون قرمز

در انتخاب نوع سنسور اندازه گیری علاوه بر دسترسی پذیری تجهیزات ابزار دقیق، به هزینه و مشخصه های عملکردی سنسور نیز باید توجه شود. به علاوه thermocouple ها عموما برای بازه های اندازه گیری بالا به کار می روند و علاوه بر ارزان قیمت بودن، برای فواصل طولانی هم به کار می روند. اما باید در نظر داشت که دقت و پایداری آن ها به اندازه سنسورهای RTD و ترمیستورها نیست.

RTD ها به دلیل نیاز به جریان الکتریکی برای اندازه گیری دما، در معرض کاهش دقت به موجب خود گرمایشی هستند. ترمیستورها دقت بیشتری از RTD ها و thermocouple ها دارند، اما بازه اندازه گیری آن ها بسیار محدود تر است. این سنسورها نیز در معرض خود گرمایشی هستند.

دستگاه های مادون قرمز نیز برای دماهای بالاتر، از هر سنسور اندازه گیری مناسب ترند و بدون هیچگونه تماسی با ماده، دما را اندازه می گیرند. اگرچه دقت بالایی ندارند و بسیار حساس به تشعشعات محیطی هستند. این دستگاه ها به همراه کابل های فایبر اوپتیک (Fiber Optic) میتوانند سطوحی که بازتاب در آن ها مستقیم نیست را هم اندازه بگیرند.